Düsseldorf, Germany
September 10, 2020
Seeds in different bean and pea pods (top: snow pea pod; mid: princess beans; bottom: runner beans). The research team has clarified why the spacing between the seeds is so similar in each pod and how the spacing relates to fruit size. (Photo: HHU / Nozomi Kawamoto)
If you open up a pea pod, you will find that all of the peas inside are the same size and the same distance apart. The same is true of princess beans, runner beans and soybeans as well as various other peas and beans, and it also applies to non-pulses. This is surprising because both the seed size and number and the pod size differ substantially from one variety to the next.
A team of researchers based in Germany, Australia, Japan, the USA and Italy under the supervision of Prof. Dr. Rüdiger Simon from HHU's Institute of Developmental Genetics has analysed the genetic mechanisms behind this phenomenon. The team used different wild varieties of thale cress to examine the genetic processes taking place behind the initiation of ovules - the primordia from which seeds emerge after fertilisation - and the growth of the pod. These wild varieties are sourced from different locations. Thale cress or Arabidopsis thaliana is a model plant used in biology. Prof. Simon commented: "The individual seeds compete with each other for nutrients. To ensure that each seed gets an equal supply and can develop well, it is important that the seeds are spread as evenly as possible at equal distances in the pod."
There is considerable variation in fruit size and seed number even amongst the different wild varieties of Arabidopsis thaliana. However, the researchers also discovered a uniform genetic mechanism that controls seed position in the pod regardless of environmental factors such as temperature.
The team established that seed formation is controlled by several signalling pathways at precisely defined positions. These signalling pathways are activated by small secreted proteins from the EPFL family. These peptides are detected on the cell surface by receptors from the ERECTA family. One of the peptides, EPFL2, is formed between the developing ovules, where it adjusts the spacing between the seeds. Where this peptide is not present, the researchers found irregular spacing - meaning that adjacent seeds compete more for nutrients - or even ovule twinning, which generally results in neither ovule developing fully. EPFL2 and a very closely related peptide, EPFL9, also control fruit development. As a result, seed formation is closely linked to pod growth.
Dr. Nozomi Kawamoto, the first author of the study, highlighted another aspect: "The same signalling substances and receptors that we have identified as being responsible for relative pod size and seed spacing are also in charge of the spacing of leaf stomata and the microstructure of serrated leaves." A plant uses the stomata to regulate the exchange of gases with its environment. Dr. Kawamoto is carrying out post-doctoral research at Prof. Simon's Institute as part of the Cluster of Excellence on Plant Sciences CEPLAS in Düsseldorf.
Original publication
Nozomi Kawamoto, Dunia Pino Del Carpio, Alexander Hofmann, Yoko Mizuta, Daisuke Kurihara, Tetsuya Higashiyama, Naoyuki Uchida, Keiko U. Torii, Lucia Colombo, Georg Groth, and Rüdiger Simon: A peptide pair coordinates regular ovule initiation patterns with seed number and fruit size. Current Biology 10 September 2020
DOI: 10.1016/j.cub.2020.08.050
Wie Pflanzen für gleiche Samenabstände sorgen
Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Biologinnen und Biologen der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat untersucht, wie die Bildung von Samen mit dem Wachstum der Frucht koordiniert wird. Die zugrundeliegenden genetischen Steuerungsmechanismen erläutern sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Current Biology.
Samenkörner in verschiedenen Erbsen- und Bohnenschoten. Das Forschungsteam hat geklärt, warum die Abstände zwischen den Samen in jeder Schote so ähnlich sind und wie die Abstände im Verhältnis zur Samengröße stehen. (Foto: HHU / Nozomi Kawamoto)
Öffnet man eine Erbsenschote, so findet man darin alle Erbsen in gleicher Größe und in regelmäßigem Abstand zueinander. Nicht anders in Prinzess-, Stangen- und Soja- und diversen anderen Bohne und Erbsen, aber auch bei Nicht-Hülsenfrüchten. Dies überrascht, weil sich sowohl die Größe und Zahl der Samen, als auch die Größen der Schoten zwischen den Arten deutlich unterscheiden.
Ein Forschungsteam aus Deutschland, Australien, Japan, den USA und Italien unter der Leitung von Prof. Dr. Rüdiger Simon vom Institut für Entwicklungsgenetik der HHU ist den genetischen Mechanismen dahinter auf den Grund gegangen. Das Team hat dazu bei verschiedenen Wildlinien der Ackerschmalwand die genetischen Abläufe hinter der Ausbildung der Ovulen – der Samenanlagen, aus denen nach der Befruchtung die Samen entstehen – und dem Wachstum der Schote untersucht. Die Wildlinien stammen von verschiedenen Standorten. Die Ackerschmalwand oder Arabidopsis thaliana ist eine Modellpflanze der Biologie. Dazu Prof. Simon: „Die einzelnen Samen konkurrieren untereinander um Nährstoffe. Damit jeder Samen möglichst gleich versorgt wird und sich gut entwickeln kann, ist eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Samen in regelmäßigen Abständen in der Schote wichtig.“
Schon bei den verschiedenen Wildtypen von Arabidopsis thaliana gibt es eine große Schwankungsbreite bei den Fruchtgrößen und Samenzahlen. Die Forscher fanden aber auch ein einheitliches genetisches Steuerprogramm, welches unabhängig von Umweltfaktoren wie der Temperatur die Samenposition in der Schote steuert.
Das Forschungsteam fand heraus, dass die Samenbildung an genau definierten Positionen durch mehrere Signalwege kontrolliert wird, die von kleinen Eiweißbausteinen, sogenannten sezernierten Peptiden der EPFL-Familie, aktiviert werden. Diese Peptide werden von Rezeptoren der ERECTA-Familie auf den Zelloberflächen erkannt. Eines der Peptide, EPFL2, wird zwischen den sich entwickelnden Samenanlagen gebildet und justiert die Abstände der Samen zueinander. Wenn es fehlt, fanden die Forscherinnen und Forscher ungleichmäßige Abstände – wodurch benachbarte Samen stärker um Nährstoffe konkurrieren – bis hin zu Zwillingssamen, die sich zumeist nicht vollständig entwickeln. EPFL2 und ein sehr nah verwandtes Peptid, EPFL9, steuern gleichzeitig auch die Fruchtentwicklung – damit ist die Bildung von Samen eng mit dem Wachstum der Schoten gekoppelt.
Der Erstautor der Studie, Dr. Nozomi Kawamoto, weist auf einen weiteren Aspekt hin: „Dieselben Botenstoffe und Rezeptoren, die wir als verantwortlich für das Verhältnis von Samengrößen und -abständen identifiziert haben, sind auch für die Abstände der Spaltöffnungen in den Blättern und die Feinstruktur von gezackten Blättern verantwortlich.“ Über die Spaltöffnungen oder auch Stomata reguliert die Pflanze den Gasaustausch mit der Umgebung. Dr. Kawamoto ist Postdoc in Prof. Simons Institut im Rahmen des Düsseldorfer Exzellenzclusters zur Pflanzenforschung CEPLAS.
Originalpublikation
Nozomi Kawamoto, Dunia Pino Del Carpio, Alexander Hofmann, Yoko Mizuta, Daisuke Kurihara, Tetsuya Higashiyama, Naoyuki Uchida, Keiko U. Torii, Lucia Colombo, Georg Groth, and Rüdiger Simon: A peptide pair coordinates regular ovule initiation patterns with seed number and fruit size. Current Biology 10 September 2020
DOI: 10.1016/j.cub.2020.08.050
Topics
Species
